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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Neuere Mosfets kaum Schaltverluste?


Autor: Sebastian Förster (Gast)
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Hallo,

hab mir eine Treiberstufe mit dem HIP4081A zusammengebaut... Ich möchte 
gern ca 30 bis 40A mit einer Vollbrücke bei 12 Volt treiben...
Eigentlich passt alles so weit... jetzt wollte ich mir einen passenden 
Kühlkörper besorgen...

Hab dazu das Spicemodell von IR geladen und erstmal ne Halbbrücke mit 
angenommenen Motor simuliert... dabei ist mir aufgefallen das die 
Schaltverluste gar kein wesentlicher Anteil an der Verlustleistung 
haben. Obwohl ich das immer anders gehört habe... im Grunde ist es gar 
kein Unterschied ob ich mit 3kHz Schalte oder 20kHz...

Simuliert habe ich das ganze wie folgt...

gepulste Spannungsquelle mit den Rise und Fallzeiten des HIPs die 10 Ohm 
Gatewiderstand die ich wirklich verbaut habe und das Modell des 
Mosfets...

Die Simulation hat ergeben, dass nur der Innenwiderstand (18mOhm) für 
Verluste sorgt. Der gewählte Mosfet hat ja auch eine Risetime von 
70ns... nicht wirklich viel und der HIP kann ja auch ordentlich Strom 
treiben...

Meine Frage ist jetzt... ob ich mit der Simulation auf dem Holzweg bin 
oder ob die durchaus stimmen kann.

Dann könnte ich mir auch einen Mosfet mit 4mOhm RDSon besorgen obwohl 
der die doppelte Rise und Falltime hat...
Dann komm ich gerade mal auf 10Watt Verlustleistung (5W pro Fet) bei 
20Khz...

Danke für die Aufklärung...

Grüße

Sebastian

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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die HIP treiber haben nicht ordentlich strom, wie ich mich erinnere, 
sndern nur ein paas 100mA. Da wird dann nichts sein mit 70ns Schaltzeit. 
Und 20kH ist nich wirklich der Knaller. Da muss man immer noch rabiat 
grossse Spulen ankarren.
Die angegebene Risetime ist unbedeutend wenn man sie eh nicht erreicht. 
Wenn man wirklich schnell Schalten will, so muss man mit ganz anderen 
Treibern kommen. Ganz abgesehen davon dass schnell schalten auch 
Probleme mit sich bringt.

Autor: Andy N. (Gast)
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Du kannst dir ja mit Hilfe der Gate Charge Angabe im Datenblatt und der 
gewünschten Risetime ganz einfach ausrechnen, wieviel Strom dein Treiber 
bringen muss!

Autor: Andy N. (Gast)
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Noch was: Du kannst davon ausgehen: Umso kleiner dein Rdson und umso 
größer der Strom, umso größer wird nartürlich auch die benötigte 
Gateladung sein.

Autor: Michael (Gast)
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>Meine Frage ist jetzt... ob ich mit der Simulation auf dem Holzweg bin
>oder ob die durchaus stimmen kann.

Beides könnte stimmen: Du könntest auf dem Holzweg sein (wegen 
unzureichender Modellbildung) oder aber die Simulation könnte auch 
stimmen (wegen recht geringer Frequenzen). Was du auf jeden Fall sehen 
müsstest ist, dass die Verluste am MOSFET während dem Umschalten relativ 
hoch gehen wo sie sonst im Keller sind. Beispiel im Anhang.

Autor: Sebastian Förster (Gast)
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Also im Datenblatt des Hips steht, dass 2,5A Peak drin sind... Min. 1,7A 
und die Diagramme zeigen auch nichts anderes... andere Angaben habe ich 
nicht gefunden, ich bin schon der Meinung das er gut Stromliefern 
kann... zumal damit geworben wird das er 1Mhz bei 1000pF Load fahren 
kann.

Der Gatewiderstand ergibt mit der maximalen Gateladung (auch schon mit 
dem großen Treiberstrom enthalten) ein tau von 2us...

Aber das ist ja alles mit simuliert... Ich kann ja später mal das Spice 
file anhängen...

Das schnelle schalten stört IMO nicht, da da ganze an ner Autobatterie 
hängt und auch keine anderen elektronischen Geräte in der Nähe sind mit 
Drosseln wollte ich nicht arbeiten... Nen Metallgehäuse soll es aber 
spendiert bekommen und möglichst kurze Motorzuleitung....

Also geh ich recht in der Annahme, dass das schalten bei nur 20kHz für 
sehr wenig Verlustleistung sorgt?

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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20kHz sind für so einen motortreiber viel zu viel. irgendwas um 1kHz ist 
immr noch genug und senkt deine schaltverluste weiter, zumal dann auch 
weniger störimpulse aus dem motor zur brücke zurückkommen.

Autor: yalu (Gast)
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> Meine Frage ist jetzt... ob ich mit der Simulation auf dem Holzweg bin
> oder ob die durchaus stimmen kann.

Ohne dass du Zahlenwerte und den Mosfet-Typ genannt hast: Ich würde über
den Daumen gepeilt sagen, dass der Anteil der Schaltverluste an den
Gesamtverlusten im einstelligen Prozentbereich liegt, wahrscheinlich
sogar im unteren. Es bietet sich also durchaus an, größere Mosfets
auszuprobieren, um die Gesamtverluste zu reduzieren.

Zur Simulation: Die im Datenplatt angegebene Anstiegszeit von 10ns be-
zieht sich auf eine Lastkapazität von 1nF. Bei dir ist einerseits die
Lastkapazität deutlich größer¹, was die Anstiegszeit verringert, ande-
rerseits hast du einen Gate-Widerstand, der die Anstiegszeit am Ausgang
des HIPs wieder erhöht. Ob die 10ns zu hoch oder zu niedrig angesetzt
sind, ist schwer abzuschätzen. Du könntest aber den HIP so modellieren,
dass du eine Anstiegszeit von nur 3ns (pessimistische Schätzung ohne
Last) ansetzt und dafür einen Ausgangswiderstand von 5Ω bis 7Ω (Aus-
gangsspannung / max. Ausgangsstrom) zwischen die Spannungsquelle und den
Gate- Widerstand schaltest.

¹) schätze ich zumindest mal, bei einem 18mΩ-Mosfet und unter Berück-
   sichtigung des Miller-Effekts

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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die miller charge kann dir die unteren mosfets in den leitenden zustand 
treiben wenn die oberen zu schnell öffnen und das gate der unteren nicht 
vom treiber auf low-potential gehalten werden kann. die werden dann warm 
und wenn du pech hast machen sie bei einer autobatterie auch ziemlich 
schnell den deckel auf um mal richtig durchzulüften.

18mOhm Rds(on) sind übrigens nicht gerade so der bringer. der fallen mir 
spontan bessere ein wie z.b. der IRF3205 oder IRFP2907.

Autor: Sebastian Förster (Gast)
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Ja also die Peaks sind beim ein und Ausschalten zu sehen und gehen bis 
440W machen aber wirklich nicht viel aus... Ich werd wahrscheinlich den 
IRF1404 einsetzen... den gibts beim Reichelt für nen Euro und der hat 
nur 4mOhm...  der hat zwar ne Risetime die doppelt so groß ist, wie beim 
Simulierten Fet... aber ihr habt ja recht... Spiel ja nicht so die Rolle 
wenn ich 10 Ohm vor das Gate geschalten habe und die Zeit eh auf maximal 
2us gehalten ist...

Schönen dank für die Tipps... Ich werd das ganze mal probieren...

War nur etwas erwundert, dass es in dem Fall keine Rolle spielt ob ich 
3kHz oder 20Khz verwende....

@Ben _  das gequitsche möchte ich mir nicht antun... ;)


Grüße

Sebastian

Achso.... was mir noch einfällt... ich werde für die Brücke keine Extra 
Freilaufdioden verwenden, da ich ergoogelt habe, dass dies bei neuen 
Fets nicht mehr nötig ist... Glaub das sollte gehen... aber ich denk 
mal, dass zeigt dann die Praxis =)

Autor: Andreas R. (rebirama)
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Eine Simulation von Schaltverlusten mit einem Widerstand als Last kann 
man nicht zur Dimensionierung heranziehen. Selbst wenn man am Motor eine 
ideale Freilaufdiode annimmt, sind die Verluste um den Faktor 4 höher.

Zusätzlich kommen noch Reverse-recovery-Verluste und Verluste durch 
eventuelle Entstörkondensatoren, die auch in den schaltenden FETs 
anfallen.

Allgemein zu Mosfettreibern: Der Angegebene Spitzenstrom bezieht sich 
auf den theoretischen fall, dass der Ausgang gegen GND oder VCC 
kurzgeschlossen ist. Der Schaltvorgang des Mosfets findet aber um die 
Plateauspannung von Ugs statt (ca 5V bei normalen Fets) -> der Real 
erreichbare Strom ist deutlich geringer. Für die Simulation ist es 
besser für den Gatetreiber einen realisischen Innenwiderstand 
anzunehmen.
Beim Hip wären das ~7 Ohm.

Hinzu kommt noch die Induktivität des Layouts (einige nH, 
Sourche-Rückleitung nicht vergessen).
U=L*dI/dt
Bei Schaltzeiten im ns-Bereich, Strömen im Ampere-Bereich kommt man 
schnell auf ganze Volt's mit der sich das Layout Stromänderungen 
entgegenstemmt.

PS: und ja, bei Niedervoltmosfets sind die Schaltverluste der Dioden 
niedrig genug. Druchlassverluste: naja, besser durch aktiven Freilauf 
verringern.

Autor: Michael (Gast)
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Wo wird gerade dabei sind, frag ich einfach mal hier:

wie berechne ich eigentlich die schaltverluste im MOSFET?
Und welche welche Ton und Toff zeiten nehme ich?
Sind dass die Zeiten, die man braucht um den Transistor leitent bzw. 
nicht leitent zu schalten? Diese entsprechen dann den Rise/Fall zeiten, 
die im Datenblatt des Transistors angegeben sind?
Oder liege ich falsch und man verwendet die Rise/Fall- Time des MOSFET 
Treibers?

Danke!

Autor: Andy N. (Gast)
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Die Rise/Fall Zeiten sind diejenigen, welche der MOSFET bei optimaler 
Ansteuerung zu bieten hat. Im Endeffekt ist aber dein Treiber 
ausschlaggebend, da dieser den MOSFET treiben muss.

Die exakten Verluste zu berechnen ist sehr sehr schwierig. Am besten man 
macht einen Versuchsaufbau und nimmt Messungen vor.

Autor: Basti M. (counterfeiter)
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Ich kann ja auch mal meinen Schaltplan und mein Board zeigen ist ja kein 
Geheimniss... ich geb dann Bescheid wenn es läuft... habs bis jetzt bloß 
auf Lochraster mal getestet da lief es... hatte aber noch nicht unter 
realen Bedingungen probiert...

Die meisten Bautteilbezeichnungen sind Unsinn...erstmal nicht 
beachten... die genauen Typen stehen noch nicht fest... es ging mehr um 
die Bauform...

Hab jetzt unter jeden Gatewiderstand noch nen SMD Pad für ne schnelle 
Diode gezaubert, falls ich Probleme durch den Miller Effekt bekomme... 
so bekomm ich die Ladung offentlich schneller weg!

Wie man sieht werd ich die 4 Mosfets direkt auf den Kühlkörper schrauben 
und mit 2,5er Draht verbinden... hab mir vorgestellt das die Gates mit 
einem kurzen Stück Netzwerkkabel angelöten werden... daher der 
Schirmpin... Die Schraubterminals werd ich natürlich bei der Gateseite 
nicht einbauen, sondern das Kabel direkt auflöten... naja mal schauen ob 
es funzt.
Aber 20kHz is ja noch zu händeln... ich werd dann mal das Oszi dran 
hängen... ich glaub es bringt wenig jetzt noch viel hin und her zu 
simulieren...

Grüße

Basti

Autor: Sebastian (Gast)
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Hab ja versprochen nocheinmal Rückmeldung zu geben...
Also funktioniert wunderbar...

Der Motor lief jetzt eine halbe Stunde bei 97% also Schaltverluste und 
Dauerbetrieb zusammen. Strom ca. 20-25A (durchschnitt)

Kühlkörper für die Vollbrücke aus der Bastellkiste:

15*7cm mit 4cm langen Rippen (6 Stück)

Temperatur steigt um die 10-15 Grad gegenüber der Umgebungstemperatur...

Könnte man also eventuell noch kleiner bauen.

Ich hätte nochmal ne Frage zu den Glimmerplättchen... Macht man hier 
Leitpaste auf beide Seiten?

Autor: 5volt (Gast)
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> Ich hätte nochmal ne Frage zu den Glimmerplättchen... Macht man hier
> Leitpaste auf beide Seiten?
Ja, das macht man.

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